1 IMATERIALI METALLICI NON FERROSI • Rame e sue leghe Le

IMATERIALI METALLICI NON FERROSI
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Rame e sue leghe
Le principali proprietà meccaniche, dopo un trattamento termico di ricottura a 650 [°C], sono le
seguenti:
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R = 250 [N/mm2]
A = 30 %
K = 80 [J/cm2]
HBS = 50
Caratteristiche ed impieghi del rame e sue leghe
- Lavorabilità alle macchine utensili
E’ buona. E’ migliore per gli ottoni (leghe rame-zinco).
- Lavorabilità per deformazione plastica
E’ buona. Si possono fabbricare semilavorati. Si ha però fragilità se la lavorazione avviene tra i
200 ed i 600 [°C].
La lavorazione meccanica a freddo fa aumentare la durezza e la resistenza a trazione e fa
diminuire l’allungamento.
- Fusibilità e colabilità
Il rame è fusibile perché fonde a 1084 °C. Le sue leghe fondono a temperature ancora inferiori.
La colabilità del rame e delle sue leghe è buona anche se colata del rame presenta difficoltà
perché il rame liquido assorbe e discioglie notevoli quantità di gas che, durante la
solidificazione, rimangono imprigionati nella massa metallica, originando soffiature.
Il rame allo stato liquido, ed anche alle alte temperature, si ossida formando l’ossidulo di rame
Cu2O, provocando fragilità. Per tutto questo è necessario utilizzare disossidanti od atmosfere
protettive durante la colata del rame.
- Saldabilità
Il rame e le sue leghe sono saldabili, soprattutto col metodo della brasatura.
Nel caso di saldatura ossiacetilenica, data l’elevata conducibilità termica, occorrono cannelli
potenti, e si impiega acetilene depurato e fiamma neutra a bassa pressione di ossigeno.
Nel caso di saldatura elettrica ad arco, data l’elevata conducibilità termica, si ha un eccessivo
consumo di corrente per fondere i lembi da saldare.
Nel caso di saldobrasatura occorre preriscaldare ad una temperatura di circa 850 [°C].
- Resistenza alla corrosione
E’ buona.
- Resistenza alle basse temperature
Il rame non è fragile alle basse temperature.
- Resistenza alle alte temperature
Lo scorrimento viscoso dei piani atomici dei reticoli cristallini del rame compare per
temperature maggiori di 150 [°C].
L’argento con 0,1 % ed il cromo con l’1 % rendono possibile l’impiego del rame fino a 300
[°C].
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- Conducibilità termica
Il rame ha un coefficiente di conducibilità termica di 372 [J/m · s · °C]
La conducibilità è ottima per tutte le leghe del rame.
- Conducibilità elettrica
Il rame ha una resistività pari a 0,0167 [Ω]
Il rame è il metallo che ha la maggiore conducibilità elettrica (dopo l’argento); va bene quindi
per la costruzione di conduttori elettrici.
- Dilatazione termica
Il rame ha un coefficiente di dilatazione termica pari a 17 · 10-6 [1/°C]
- Modulo di elasticità
E = 125 000 [N/mm2]
- Massa volumica
Il rame ha una massa di 8,89 [kg/dm3]
Il rame, data la sua elevata conducibilità elettrica,
viene utilizzato soprattutto nel settore elettrico, come
conduttore nelle linee di trasporto dell’energia
elettrica. E’ impiegato negli impianti civili ed
industriali, nei trasformatori e negli avvolgimenti dei
motori elettrici.
E’ anche negli impianti termoidraulici (tubi …) ed
in agricoltura (viti) sotto forma di solfato di rame
anticrittogamico.
- Bronzi
Sono leghe rame-stagno con stagno inferiore al 28 %.
Si distinguono:
- bronzi ordinari o binari, contenenti solo rame e stagno
- bronzi speciali contenenti, oltre allo stagno, anche altri elementi quali alluminio, nichel,
fosforo …
L’aumento della percentuale di stagno
determina un aumento della durezza della
lega ed una diminuzione dell’allungamento.
La resistenza a trazione aumenta fino a
percentuali di stagno del 15 % per poi
diminuire quando la percentuale di tale
elemento aggiunto supera il 15 ÷ 20 % a
causa della formazione di un costituente
molto duro e fragile (detto “costituente δ”).
I bronzi sono principalmente delle leghe
da fonderia, avendo temperatura di fusione
intorno a 900 ÷ 960 [°C]. Per questo sono
utilizzati per fabbricare getti di fusione
(statue, campane …).
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I bronzi con tenore di stagno inferiore al 10 % possono essere utilizzati sotto forma di
semilavorati (barre, lamiere, nastri, fili).
In bronzo possono essere valvole, cuscinetti lisci (bronzine), monete e bulloni.
Esempio di designazione di un bronzo binario: Gs – Cu Sn 5 (bronzo adatto per getti da colare
in sabbia con stagno pari al 5 %).
Esempio di designazione di un bronzo speciale: Gc – Cu Sn 3 Pb 7 (bronzo adatto per getti da
colare in conchiglia col 3 % di stagno, il 7 % di piombo, il resto è rame).
- Ottoni
Sono leghe rame-zinco con zinco inferiore al 45 %.
Si distinguono:
- ottoni ordinari o binari, contenenti solo rame e zinco
- ottoni speciali contenenti, oltre allo zinco, anche altri elementi quali piombo, alluminio,
nichel, manganese …
L’aumento della percentuale di zinco determina un aumento della durezza della lega ed una
diminuzione dell’allungamento. La resistenza a trazione aumenta fino a percentuali di zinco del 45
% per poi diminuire quando la percentuale di tale elemento aggiunto supera tale valore limite.
Tra gli impieghi principali degli ottoni ricordiamo il valvolame idraulico e la rubinetteria. Infatti
l’ottone resiste alla corrosione dell’acqua e permette inoltre di essere facilmente lavorato con
filettature che hanno pure una buona resistenza meccanica (al contrario per esempio delle leghe
dell’alluminio).
La temperatura di fusione dell’ottone è di circa 900 ÷ 1000 °C. La massa volumica è di 8,7
kg/dm3.
Gli ottoni sono utilizzati in fonderia (maniglie, rubinetti …) e nelle lavorazioni per
deformazione plastica (tubi, fili, lamierini …). In ottone sono fabbricati alcuni strumenti musicali a
fiato detti appunto “ottoni”.
Esempio di designazione di un ottone binario: Pl – Cu Zn 40 (bronzo adatto per lavorazione
plastica di laminazione con stagno pari al 40 %).
Esempio di designazione di un ottone speciale: Pl – Cu Zn 38 Al 1 Fe 1 Mn 1 (bronzo adatto per
lavorazione plastica di laminazione col 38 % di zinco, l’1 % di ferro, l’1 % di manganese, il resto è
rame).
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L’Alluminio e sue leghe
L’alluminio non si trova allo stato puro, bensì sotto forma di ossidi e di silicati.
E’ un metallo molto leggero, tenero, di limitata resistenza a trazione:
Le principali proprietà meccaniche sono le seguenti:
-
R = 100 N/mm2
A = 40 %
K = 50 J/cm2
HBS = 16
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Caratteristiche ed impieghi delle leghe leggere
- Lavorabilità alle macchine utensili
E’ buona per l’alluminio e per tutte le leghe commerciali.
- Lavorabilità per deformazione plastica
E’ buona. Si possono fabbricare semilavorati. Si ha però fragilità se la lavorazione avviene a
500 °C. Si lamina facilmente tra i 100 ed 150 °C
- Fusibilità e colabilità
L’alluminio è fusibile perché fonde a 658 °C. Le sue leghe fondono a temperature ancora
inferiori.
La colabilità del rame e delle sue leghe è buona. La presenza di silicio migliora la colabilità.
- Saldabilità
Il rame e le sue leghe sono saldabili con precauzione.
Nel caso di saldatura elettrica ad arco, data l’elevata conducibilità termica, occorrono elevate
intensità di corrente e forti consumi di energia per ottenere il calore necessario a fondere i lembi
da saldare.
Poiché il materiale si ricopre con facilità di uno strato di ossido di alluminio (Al2 O3) che fonde
a 2000 °C, che è superiore alla temperatura di fusione dell’alluminio (658 °C), volendo fondere
l’ossido si brucia il metallo.
L’alluminio passa inoltre rapidamente dallo stato solido allo stato liquido. Nel caso di saldatura
ossiacetilenica, data l’elevata conducibilità termica, occorrono cannelli potenti, e si utilizza
fiamma leggermente carburante, dopo aver preriscaldato i pezzi a circa 250 °C e ricorrendo a
disossidanti per evitare inclusioni di ossido nel bagno.
- Resistenza alla corrosione
E’ buona, soprattutto per le leghe legate col magnesio in percentuale inferiore al 7%.
- Resistenza alle basse temperature
L’alluminio è fragile alle basse temperature.
- Resistenza alle alte temperature
Lo scorrimento viscoso dei piani atomici dei reticoli cristallini dell’alluminio compare per
temperature maggiori di 200 °C.
- Conducibilità termica
E’ molto buona. L’alluminio ha un coefficiente di conducibilità termica di 218 [J/m * s * °C]
- Conducibilità elettrica
E’ molto buona. L’alluminio ha una resistività pari a 0,0267 [Ω].
- Dilatazione termica
Il rame ha un coefficiente di dilatazione termica pari a 24 * 10-6 [1/°C]
- Modulo di elasticità
Ha un valore limitato, essendo E = 65000 [N/mm2]. Ciò significa che le leghe leggere sono
facilmente deformabili sotto sforzo.
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- Massa volumica
L’alluminio ha una massa volumica di 2,8 [kg/dm3]
L’alluminio è un metallo che con facilità forma leghe con altri metalli, in particolare con silicio,
alluminio, rame, magnesio.
Si distinguono due categorie delle leghe dell’alluminio: leghe da fonderia (indicate con la lettera
G) e leghe per deformazione plastica (indicate con la lettera P).
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Leghe da fonderia
Ricordiamo soprattutto le leghe Alluminio-Silicio con silicio tra il 5 ed il 15 %.
Il silicio:
- aumenta la col abilità
- diminuisce la fragilità ed il ritiro
- rende la lega più difficilmente lavorabile alle macchine utensili
Tra gli impieghi di tali leghe ricordiamo i cilindri di motori endotermici, i carter e le coppe.
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Leghe da lavorazione plastica
Sono:
- leghe alluminio-magnesio (con magnesio inferiore al 5%)
- leghe alluminio-rame (con rame pari al 4,4 %)
Un’altra lega da lavorazione plastica dell’Alluminio, nota in USA col nome 75S) è l’ERGAL.
Tale lega ha la seguente composizione:
-
zinco = 5,8 %
magnesio = 2,5 %
rame = 1,6 %
manganese = 0,2 %
alluminio il resto
L'ergal si contraddistingue per l'ottima resistenza meccanica (la migliore fra tutte le leghe di
alluminio convenzionali) ma è più attaccabile dagli agenti corrosivi a causa della presenza dello
zinco. Questo limite può essere superato ricorrendo ad aggiunte in piccole dosi di argento o
zirconio.
Questa lega ha ottima lavorabilità alle macchine utensili.
Essa è utilizzata, sia sotto forma di laminati che di estrusi, nelle costruzioni aeronautiche, nel
settore motociclistico (accessori, manubri, viti, paracatena, supporti di fissaggio), nella costruzione
del boma per il windsurf e in campo modellistico.
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Motivi dell’impiego delle leghe dell’alluminio
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Sono leggere
Sono facilmente lavorabili per fusione perché fondono a bassa temperatura
Si possono utilizzare forme metalliche per la fusione
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Vantaggi:
1) forma più precisa con superfici lisce e ben finite
2) basta una sola forma metallica per migliaia di pezzi
1) lavorazione più rapida
2) minore necessità di spazio
-
Non si ossidano e rimangono di bell’aspetto
Per la bassa temperatura di lavorazione, la lavorazione plastica è più economica rispetto alle
altre leghe.
- Leghe ultraleggere
Il costituente fondamentale delle leghe ultraleggere è il magnesio. La lega principale è
l’Electron che ha la seguente composizione:
- alluminio = 3 %
- zinco = 1,5 %
- manganese = 0,3 %
- silicio = 0,2 %
- il resto è magnesio (85 ÷ 97 %)
Zinco, Nichel e alluminio migliorano la resistenza meccanica; il manganese aumenta la
saldabilità e la resistenza alla corrosione.
Caratteristiche dell’Electron sono:
- R = 250 N/mm2
- A = 10 %
- HBS = 50
- Temperatura di fusione = 625 °C
Queste leghe, facilmente lavorabili, sono fornite in getti, in lamiere, in laminati, in fili, in tubi.
Difetto dell’Electron è la sua corrodibilità agli agenti atmosferici ed all’acqua marina, perciò
deve essere protetto con speciali vernici.
La fusione dell’Electron presenta difficoltà derivanti dalla infiammabilità del magnesio.
Esempio di designazione di una lega leggera: Gs – Al Cu 12 (Lega alluminio-rame adatta per
getti da colare in sabbia col 12 % di rame).
Esempio di designazione di una lega leggera: P – Al Cu 4 Mg Mn (Lega leggera adatto per
lavorazione plastica col 4 % di rame, magnesio e manganese non specificati).
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